陕西
责编 | 王一
气孔是植物进行蒸腾作用的主要场所，也是与外界环境进行气体交换的重要门户与通道。气孔可以感知多种外界环境变化，如温度、光照、水分以及二氧化碳浓度、臭氧等，通过开闭运动调节植物生理活动，适应环境变化。例如温度过低、光照不足、干旱胁迫或蒸腾作用过强、二氧化碳浓度过高等条件都会导致气孔关闭，对植物起到保护作用。气孔开闭与植物光合作用、呼吸作用、蒸腾作用等过程密切相关。此外，气孔也是病原微生物的入侵通道，植物可以通过气孔免疫过程主动关闭气孔阻止病原微生物入侵。
研究发现，在气孔关闭过程中，位于保卫细胞的缓慢型阴离子通道SLAC1（Slow-type anion channel 1）的激活发挥了关键作用。SLAC1通过介导包括氯离子在内的多种阴离子外流，导致细胞膜去极化，激活下游钾离子通道，促进钾离子外排，最终使得保卫细胞膨压下降，细胞失水萎缩，气孔关闭。已有研究表明，SLAC1位于胞内的N端和C端序列有多个磷酸化位点，可被多种激酶修饰，激活通道开放。中科院遗传与发育生物学研究所陈宇航研究员与哥伦比亚大学Wayne Hendrickson教授团队曾在2010年和2021年分别报道了细菌SLAC1同源蛋白（HiTehA）和二穗短柄草中的SLAC1蛋白(BdSLAC1)的三维结构，对于理解通道构造提供了重要帮助。但是SLAC1受磷酸化修饰调控的分子机制仍存在诸多问题亟待解决。
中国科学技术大学孙林峰和仓春蕾团队合作，利用单颗粒冷冻电镜技术解析了拟南芥SLAC1处于关闭状态的三维结构，并结合电生理手段分析，提出了蛋白激酶激活SLAC1的分子机制。相关研究成果以“Structure of the Arabidopsis guard cell anion channel SLAC1 suggests activation mechanism by phosphorylation”为题于2022年5月6日发表于Nature Communications杂志上。
图1 拟南芥SLAC1(S59A)的三维结构示意图
研究团队通过全细胞膜片钳分析发现，在人源HEK293细胞中，单独表达拟南芥SLAC1蛋白即可导致通道很大程度的激活，而加入蛋白激酶广谱抑制剂可以抑制部分电流，说明其被HEK293细胞中内在激酶进行磷酸化修饰，导致了通道开放。这一发现与此前在其他细胞体系下的研究结果存在很大差异，为后续研究提供了基础。
通过质谱分析，结合突变、电生理手段，研究团队鉴定了发生磷酸化修饰、引起通道开放的关键位点。通过对其中一个位点的突变体（S59A）进行结构解析，最终获得了拟南芥SLAC1（S59A）处于关闭状态的高分辨率三维结构。与已有的HiTehA和BdSLAC1结构相比，这个结构首次展示出了N端和C端组成的部分胞质结构域，其通过与跨膜结构域相互作用，形成了一个塞子状结构堵住了阴离子孔道。同时发现，破坏塞子和跨膜结构域之间的相互作用会触发SLAC1的激活。基于此，研究团队提出了蛋白激酶激活SLAC1的分子机制：SLAC1的胞内区域位点的磷酸化导致其结构重排，使得处于抑制位置的塞子结构释放，从而解除对孔道的抑制。同时，胞质结构域的释放还导致组成孔道的跨膜螺旋变化，开放孔道。
该项研究为进一步理解SLAC1如何调控气孔关闭以及保卫细胞如何帮助植物感知、响应外界变化提供了重要帮助，对于作物抗逆胁迫，粮食增产、稳产等具有重要意义。
图2 磷酸化激活SLAC1的分子机制模型
中国科学技术大学孙林峰教授、仓春蕾教授和刘欣副研究员为该论文的共同通讯作者，博士生李雅雯和硕士生丁一楠为共同第一作者。此外，向成斌教授团队对本研究提供了重要支持。冷冻电镜数据收集工作在中国科学技术大学冷冻电镜中心完成。该工作得到了来自中国科学院战略性先导科技专项（B类）、国家自然科学基金、安徽省自然科学基金、中国科学技术大学“双一流”科研项目的资助。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-022-30253-3
特别声明：以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布，本平台仅提供信息存储服务。
Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.
